Osservatorio Astronomico Sormano - Sormano (CO) Italy

Cosa c’entra un approfondimento di fisica sub-nucleare con i temi normalmente trattati in queste pagine, dove si discute di pianeti, galassie e cosmologia? L’astronomia è diventata negli ultimi decenni una disciplina scientifica multi-task, unica nella sua interdisciplinarità: fisica, geologia, chimica, biologia, ingegneria, .. entrano in campo quando la mente umana indaga a fondo il cosmo: si può tranquillamente affermare che non esiste un altro ramo di ricerca dove il mondo dell’infinitamente piccolo e quello dell’infinitamente grande siano così correlati. Infatti il diametro stimato dell’Universo visibile è di oltre 90 miliardi di anni luce (circa 9x10^23 km): secondo il modello inflazionario del Big Bang, esso sembra essersi formato circa 13.82 miliardi di anni fa (circa 4x10^17 s) da una fluttuazione quantistica del nulla, quando una bolla dalle dimensioni di 10^-37 m, contenente tutta l’energia dell’Universo, incorse in un’espansione esplosiva che ne fece aumentare le dimensioni di un fattore pari a 10^26 in soli 10^-32 s. Questa espansione, che recentemente abbiamo scoperto essere accelerata dal contributo dell’energia del vuoto, oggi è ancora in atto. Come si nota quindi in cosmologia parliamo di scale assurdamente grandi: variazioni spazio temporali di circa 60 ordini di grandezza. In qualche modo ciò pervade anche altri aspetti dell’astronomia: per esempio le reazioni nucleari all’interno delle stelle avvengono in frazioni di secondo, mentre il ciclo di vita di una nana rossa (le più piccole e longeve stelle in cui si raggiunge l’ignizione delle reazioni nucleari) può durare oltre 150 miliardi di anni (approx 6x10^28 s).

Questa simbiosi fra gli estremi permette una comprensione sempre più accurata del mondo che ci circonda; in quest’ottica si inserisce il recente clamore suscitato dalla scoperta (pressoché confermata) del bosone di Higgs in uno degli esperimenti condotti nel LHC (Large Hadron Collider) al CERN (Centre Européen de Recherches Nucléaires) di Ginevra. Questo acceleratore di particelle, costruito con la collaborazione di 100 paesi, 10'000 tecnici e centinaia di università e laboratori di ricerca mondiali, è oggi il più grande e potente mai costruito, essendo in grado di accelerare protoni a velocità molto prossima a quella della luce per farli scontrare in appositi rivelatori raffreddati a 2 gradi sopra lo zero assoluto: il tunnel circolare di 27 km di lunghezza è posto a 100 m di profondità lungo il confine franco-svizzero e le macchine rivelatrici sono grandi quasi come un palazzo di sette piani! L’energia che si libera da questi urti è così grande che si ricreano in laboratorio le condizioni che l’universo vide solo alla sua nascita, dopo il periodo inflativo post Big Bang: il complesso è entrato in piena funzionalità nel 2009 ed oggi (giugno 2013) è in manutenzione programmata in attesa di ripartire a doppia potenza fra 2 anni.

Il bosone di Higgs (nota al pubblico come la Particella di Dio), ipotizzato da oltre 40 anni contribuisce a rendere il “modello standard delle particelle” ancora più completo, permettendo agli scienziati di spiegare con eleganza i processi fisici dell’universo all’opera in ogni luogo e tempo (singolarità a parte). In sintesi possiamo affermare che a livello elementare, l’universo è formato da fermioni (quark, elettroni e neutrini tutti con spin semi-intero) e da bosoni (fotoni, gluoni e bosoni pesanti W±/Z, tutti con spin intero): uno zoo di particelle subnucleari che si possono tabulare come gli elementi della tavola periodica. Ci sono dodici particelle elementari (e relative anti-particelle) che compongono gli atomi dell’Universo o che ci piovono addosso di continuo dallo spazio profondo come raggi cosmici: sei quark (up, down, charm, strange, top e bottom), tre leptoni (elettrone, muone e tauone) ed associati neutrini (neutrino elettronico, muonico e tauonico). Esse interagiscono fra loro attraverso quattro forze fondamentali: in ordine decrescente di intensità sono l’interazione forte, elettromagnetica, debole e gravitazionale. L’umanità conosce molto bene da sempre gli effetti di quest’ultima che fu matematicamente modellata da Newton nel XXVII secolo e migliorata da Einstein ad inizio 900 con la relatività; anche gli effetti delle forze elettromagnetiche si manifestano da sempre in natura a livello macroscopico (fulmini, elettrostatica, magnetismo, elettricità,...) e Maxwell a metà del 1800 ne formulò le basi matematiche; infine le ultime due interazioni furono scoperte solo lo scorso secolo e sono responsabili della coesione del nucleo atomico (interazione forte che vince la repulsione coulombiana dei protoni/quark) e dei decadimenti radioattivi (interazione debole ovvero la versione moderna dell’alchimia che trasmuta gli elementi cambiandone il numero atomico).

Anche in questo caso la natura ci stupisce con le sue bizzarre scale di misura, per cui la forza gravitazionale e quella elettromagnetica hanno raggio d’azione infinito (anche se in pratica solo quella gravitazionale mostra effetti su scala interplanetaria) mentre le altre due forze hanno un raggio d’azione inferiore alle dimensioni del nucleo atomico (10^-15 m): inoltre a scala nucleare la forza di gravità può essere trascurata essendo oltre 10^27 volte meno intensa della forza debole (mentre l’interazione elettromagnetica fra i quark è circa centomila volte più intensa della debole ma solo un centesimo della forte).

Le particelle fondamentali risentono l’azione di queste forze tramite l’azione di dodici bosoni (che sono per l’appunto i mediatori delle quattro interazioni). L’interazione elettromagnetica è mediata dai fotoni (privi di massa e carica elettrica) ed interessa tutte le particelle dotate di carica elettrica (leptoni, quark, W±); l’interazione forte è mediata da ben otto gluoni (privi di massa e carica elettrica, ma con due componenti di carica di colore: un colore ed un anticolore) ed interessa solo i quark (le sole particelle, oltre ai gluoni stessi, dotate di carica di colore); l’interazione debole, mediata da tre bosoni W± e Z (dotati di massa e carica, a parte Z: la loro scoperta valse il Nobel per la fisica a Carlo Rubbia nel 1984!), interessa tutti i leptoni ed i quark. Infine l’interazione gravitazionale che è la meno intensa ma direttamente responsabile di fenomeni macroscopici (caduta dei gravi, maree, orbite, stabilità delle stelle e delle galassie), interessa le particelle dotate di massa e dovrebbe essere mediata da un bosone la cui esistenza non è ancora stata accertata (il gravitone). La ricerca delle onde gravitazionali vede impegnata la comunità scientifica sulla terra (in Toscana per esempio segnaliamo l’esperimento VIRGO dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare: un’antenna interferometrica che dal 2007 cerca le perturbazioni spaziali causate da esplosioni di supernova nella Via Lattea oppure incontri fra buchi neri e pulsar nel super ammasso di galassie della Vergine) e nello spazio (dove nei prossimi anni la missione eLISA dell’ESA cercherà il passaggio dei gravitoni su scale milioni di volte più grandi).

Il bosone di Higgs si inserisce in questo contesto per spiegare il meccanismo responsabile della massa delle particelle elementari: infatti se i bosoni (a parte i mediatori dell’interazione debole) hanno massa nulla, i fermioni sono pesanti e le loro masse sono assai peculiari mostrando una variazione di quasi undici ordini di grandezza! Il neutrino elettronico pesa solo 2.2 eV/c2 (3*10^-36 kg), mentre il quark top (l’ultimo scoperto nonché il più massiccio) è 10 miliardi di volte più pesante: come confrontare un moscerino con una petroliera! Perché la natura, ancora una volta mostra una simile varietà? Negli anni sessanta del XX secolo alcuni scienziati (fra cui Peter Higgs) formularono una teoria matematica in cui si ritiene che l’Universo sia pervaso da un campo scalare (campo di Higgs), interagendo con il quale le particelle acquisiscono massa: l’analogia più immediata è l’attrito con l’aria per cui un oggetto tozzo subisce una maggiore resistenza rispetto ad uno affusolato. Questo “attrito” con il campo di Higgs conferisce la massa alle particelle elementari: le particelle che non interagiscono (o lo fanno poco) sono prive di massa (o sono leggere come i neutrini). Inoltre tale campo è pervaso dai suoi bosoni (di Higgs per l’appunto), così come quello elettromagnetico è composto da fotoni; il bosone di Higgs doveva avere carica elettrica e spin nullo, massa simile ai quark più pesanti e si prevedeva dovesse decadere in svariati modi: uno di essi (decadimento verso bosoni pesanti) è stato effettivamente osservato numerose volte nell’esperimento ATLAS del LHC, che conferma l’esistenza di una particella dalle caratteristiche previste e con massa di circa 125 GeV/c2 (ovvero 133 volte più pesante del protone).
Negli ultimi anni l’interesse mediatico verso la fisica di base e le recenti scoperte scientifiche è aumentato anche perchè veniva sempre più confermata l’eleganza, la simmetria e la semplicità del modello standard delle particelle (ma non solo: ricorderete le bufale sui neutrini più veloci della luce e sul buco nero che si sarebbe formato all’accensione del LHC): con solo quattro forze fondamentali mediate da dodici bosoni, dodici particelle (sei quark e sei leptoni) più il bosone di Higgs, questo modello spiega in maniera rigorosa le leggi di natura.
Sappiamo che mancano ancora molti tasselli: come inserire la gravità in questo modello quantistico è ancora irrisolto (supersimmetria, stringhe, brane, teoria “M”,..); inoltre la materia oscura non trova ancora collocazione nell’attuale zoo delle particelle, così come il valore non nullo dell’energia repulsiva del vuoto e la rottura di simmetria fra materia ed antimateria: insomma con il bosone di Higgs abbiamo reso il 2012 un anno storico che verrà ricordato nei secoli, ma grandiose scoperte sono all’orizzonte quando l’acceleratore di Ginevra ripartirà, oppure se e quando riusciremo ad analizzare raggi cosmici naturali ad energie maggiori dei 14 TeV (massima raggiungibile dal LHC).

Fra i tanti libri di approfondimento, è assai snello ed introduttivo l’ultimo lavoro di Corrado Lamberti (prossimo ospite all’Osservatorio di Sormano) dal titolo “Il Bosone di Higgs” edito da Alberti editore nel 2013.

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